不同水位骤降速度下的混合堤防边坡稳定性分析

2018-12-04王理想刘发智

水利科学与寒区工程 2018年11期

韩雷，王理想，刘发智

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨 150080)

2013年黑龙江流域发生较大洪水灾害，由此而发生的堤防溃堤造成了广大人民群众的生命和财产损失。在洪水过后黑龙江省水利科学研究院研究团队现场踏勘部分溃堤断面，在收集资料基础上提出了因溃堤而引起的水位骤降对堤防边坡稳定性影响的相关问题。

赵宇坤等[1]在对黄河流域下游堤防的洪水浸泡和水位骤降的边坡抗滑稳定性研究中，得出了不同降速下稳定性系数和评价结论，但是黄河流域下游以黏性土为主，对由砂性土和黏性土混合填筑为主的堤防没有研究。刘新喜等[2]和郑颖人等[3]主要对水库水位骤降对库区边坡的稳定性进行了研究。国内外对水位骤降对堤防边坡稳定性的影响研究较少。本文在前人研究基础上，对黑龙江流域混合堤防因水位骤降而引起的渗流稳定性和抗滑稳定性问题进行研究，提出抗滑稳定性系数和水位骤降速度的关系，为黑龙江流域堤防建设提供参考。

1 水位骤降的定义

由国内外学者相关研究[4-5]和《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)中对堤防工程水位骤降的定义，K/uv<1/10作为水位骤降判断的标准，其中K为渗透系数，u为给水度，v为水位降速。换算为水位下降速度为v>10K/u发生骤降，粉土渗透系数K=0.000 25 cm/s，给水度u=0.045，则水位降速大于0.05 cm/s时可定义为混合堤防水位骤降。研究采用三种不同骤降速度来模拟典型堤防洪水浸泡30 d后水位骤降渗流稳定性，三种降速分别为：0.05 cm/s，0.10 cm/s和0.15 cm/s。现以0.05 cm/s为例计算洪水长期浸泡工况下的水位骤降，其他两种工况计算结果在文中不再赘述。

2 典型混合堤防断面选取和土层物理力学参数

研究团队对黑龙江流域堤防工程地质情况进行了资料调研，发现工程治理前黑龙江流域混合堤很多，治理工程中很多堤防对堤身进行加高培厚，加高培厚土料中砂性土占了很大比例。根据调研选取黑龙江流域某堤段为研究对象，该典型段长度较长且2013年特大洪水时为险工弱段，附近堤防出现过渗流、决堤等险情。地质分层老堤为低液限粉土+低(高)液限黏土+细砂，加高培厚为粉土质砂，透水性强。该典型堤段土层物理力学性质如表1所示。

表1 典型堤防断面土层物理力学参数

选取典型断面并建立有限元计算模型(见图1)，共1737个单元，1835个节点。典型断面经过30 d长期浸泡后，水位由56.4 m快速下降到坡底，下降高度2.0 m。细砾层以下为不透水层，各层由上到下分别为细砂、黏性土和细砾。

图1 典型断面和有限元计算模型

3 典型堤防断面渗流稳定性

利用饱和-非饱和理论，采用SEEP/W计算软件对典型断面水位骤降下渗流稳定性进行计算。初始浸润线如图2所示，迎水侧水位56.4 m，堤后水流出逸点位于堤脚处。根据该断面的土工试验分层统计，各层土的物理性质如表2所示。计算出各层土的临界水力坡降，若安全系数取2，则各层土的允许水力坡降计算结果见表3。

图2 典型断面初始渗流场的流速矢量图与浸润线(长期浸泡)

表2 各层土的物理性质

表3 堤身堤基土的允许水力坡降值

图3 典型断面水位骤降下渗流场的xy比降图

图3为典型断面渗流场的xy比降图，在图中可以看出，比降变化集中发生在迎水侧坡脚处，比降最大值为1.00，坡降黏土层大部分区域比降为0.60，大于黏土层发生流土的允许坡降0.47，黏土层有向细砾层发生流土的可能性。各层土计算渗透坡降分别为：粉细砂层水流出逸点位置坡降为0.20，小于允许坡降0.45，发生流土的可能性不大。细砾层计算渗透坡降小于0.20，远远小于允许坡降，不会发生流土和管涌。

4 不同降速下抗滑稳定性分析

对典型断面不同降速下堤防边坡抗滑稳定性进行研究，这里只绘制0.05 cm/s时降速的计算结果。图4为水位骤降后不同时刻堤防浸润线位置图，从图中可以看出，在水位骤降后浸润线快速下降，24 h后堤防浸润线基本稳定。水位骤降下对迎水坡边坡的不利影响明显大于背水坡，所以计算边坡抗滑稳定性系数时只计算迎水坡边坡的抗滑稳定性。